Enkeltfoton-fotodetektorer har brutt gjennom flaskehalsen med 80 % effektivitet

Enkeltfoton fotodetektorhar brutt gjennom flaskehalsen med 80 % effektivitet

Enkeltfotonfotodetektorer mye brukt innen kvantefotonikk og enkeltfotonavbildning på grunn av deres kompakte og lave kostnadsfordeler, men de står overfor følgende tekniske flaskehalser.

Nåværende tekniske begrensninger

1. CMOS og tynnforbindelses-SPAD: Selv om de har høy integrasjon og lav timing-jitter, er absorpsjonslaget tynt (noen få mikrometer), og PDE er begrenset i det nær-infrarøde området, med bare omtrent 32 % ved 850 nm.

2. Tykk-junction SPAD: Den har et absorpsjonslag som er flere titalls mikrometer tykt. Kommersielle produkter har en PDE på omtrent 70 % ved 780 nm, men det er ekstremt utfordrende å bryte gjennom 80 %.

3. Les av kretsbegrensninger: Tykk-kryss SPAD krever en overspenning på over 30 V for å sikre høy sannsynlighet for skred. Selv med en slokkespenning på 68 V i tradisjonelle kretser, kan PDE bare økes til 75,1 %.

Løsning

Optimaliser halvlederstrukturen til SPAD. Bakbelyst design: Innfallende fotoner henfaller eksponentielt i silisium. Den bakbelyste strukturen sikrer at majoriteten av fotonene absorberes i absorpsjonslaget, og de genererte elektronene injiseres i skredområdet. Fordi ioniseringshastigheten til elektroner i silisium er høyere enn for hull, gir elektroninjeksjon en høyere sannsynlighet for skred. Dopingkompensasjonsskredområde: Ved å bruke den kontinuerlige diffusjonsprosessen av bor og fosfor kompenseres den grunne dopingen for å konsentrere det elektriske feltet i det dype området med færre krystalldefekter, noe som effektivt reduserer støy som DCR.

2. Høyytelsesavlesningskrets. 50V høyamplitude-slukking. Rask tilstandsovergang; Multimodal drift: Ved å kombinere FPGA-kontrollsignaler for SLUKKING og RESET oppnås fleksibel veksling mellom fri drift (signalutløser), gating (ekstern GATE-driver) og hybridmodus.

3. Klargjøring og pakking av enheten. SPAD-waferprosessen er brukt, med en sommerfuglpakke. SPAD-en er bundet til AlN-bærersubstratet og vertikalt installert på den termoelektriske kjøleren (TEC), og temperaturkontroll oppnås via en termistor. Multimodusoptiske fibre er nøyaktig justert med SPAD-senteret for å oppnå effektiv kobling.

4. Ytelseskalibrering. Kalibreringen ble utført ved hjelp av en 785 nm pikosekunder pulserende laserdiode (100 kHz) og en tid-digital omformer (TDC, 10 ps oppløsning).

Sammendrag

Ved å optimalisere SPAD-strukturen (tykk kobling, bakbelyst, dopingkompensasjon) og innovere 50 V-slukkekretsen, har denne studien vellykket økt PDE-en til den silisiumbaserte enkeltfotondetektoren til en ny høyde på 84,4 %. Sammenlignet med kommersielle produkter har den omfattende ytelsen blitt betydelig forbedret, noe som gir praktiske løsninger for applikasjoner som kvantekommunikasjon, kvantedatabehandling og høyfølsom avbildning som krever ultrahøy effektivitet og fleksibel drift. Dette arbeidet har lagt et solid grunnlag for videreutvikling av silisiumbaserteenkeltfotondetektorteknologi.